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Introdução à Ciência e Tecnologia dos Materiais Tecnologia dos Materiais Unidade II Estrutura dos sólidos cristalinos e imperfeições imperfeições Por que estudar As propriedades de alguns materiais estão diretamente relacionadas às suas estruturas cristalinas Exemplo Mg e Be são muito mais frágeis do que Au e Ag Propriedades de materiais cristalinos e não cristalinos são extremamente diferentes Exemplo cerâmicas e polímeros nãocristalinos são opticamente transparentes Na forma cristalina tendem a ser opacos Por que estudar As propriedades de alguns materiais são profundamente influenciadas pela presença de imperfeições Tornase importante conhecer os tipos de imperfeições que existem e os papéis que desempenham ao afetar o comportamento dos materiais e os papéis que desempenham ao afetar o comportamento dos materiais Exemplo 1 As propriedades mecânicas dos metais puros apresentam alterações significativas quando eles estão ligados O latão 70Cu30Zn é muito mais duro e resistente do que o cobre puro Por que estudar Exemplo 2 Os dispositivos microeletrônicos dos circuitos integrados encontrados nos nossos computadores calculadoras e utensílios domésticos funcionam devido à presença de concentrações rigorosamente controladas de impurezas específicas que são incorporadas em regiões pequenas e localizadas de materiais semicondutores a fim de alterar a condutividade elétrica nestas regiões Exemplo 3 A deformação permanente dos materiais metálicos promove a formação de imperfeições que geram um aumento na resistência mecânica processo conhecido como encruamento Conceito de material cristalino Material cristalino é aquele em que os átomos estão posicionados em um arranjo periódico ou repetitivo ao longo de grandes distâncias atômicas 100 nm Todos os metais e alguns materiais cerâmicos são materiais cristalinos Material amorfo não cristalino caracterizado por estruturas atômicas ou moleculares relativamente complexas e que se tornam ordenadas somente com alguma dificuldade A maioria dos polímeros é amorfa pois as ligações entre as moléculas não permitem a formação de cadeias ordenadas durante a solidificação Ordem x Alcance Estrutura não ordenada os átomos ou moléculas estão randomicamente distribuídos Exemplo gases nobres Ordem de curto alcance os átomos ou moléculas só estão ordenados com os vizinhos moléculas só estão ordenados com os vizinhos mais próximos Exemplo materiais amorfos Ordem de longo alcance átomos ou moléculas estão organizados em um arranjo repetitivo ou estrutura Exemplo materiais cristalinos Esquemas bidimensionais para a estrutura do a dióxido de silício cristalino e b dióxido de silício não cristalino Estrutura cristalina Estrutura cristalina maneira segundo a qual os átomos moléculas ou íons estão arranjados Célula unitária Consiste no menor arranjo de átomos possível que através de sua repetição representa a estrutura cristalina de um material Define de acordo com sua geometria e a posição dos átomos em seu interior a estrutura cristalina Representação da célula unitária por meio de esferas rígidas Sistemas cristalinos Apresentam as estruturas cristalinas divididas em grupos de acordo com a geometria de suas células unitárias Sistemas cristalinos Nesse arranjo é estabelecido um sistema de coordenadas x y e z que tem a sua origem localizada em um dos vértices da y e z que tem a sua origem localizada em um dos vértices da célula unitária Cada um dos eixos coincide com uma das três arestas da célula que se origina a partir desse vértice Parâmetros de rede definem a geometria da célula unitária a b c α β e γ Sistemas cristalinos Sistemas cristalinos Sistemas cristalinos Dos 7 sistemas cristalinos podemos identificar 14 tipos diferentes de células unitárias conhecidas com redes de Bravais Ortorrômbica simples Ortorrômbica de corpo centrado Ortorrômbica de extremidades centradas Ortorrômbica de faces centradas Monoclínica simples Monoclínica de extremidades centradas Romboédrica Triclínica Hexagonal 90 dos metais se cristalizam em uma dessas 3 estruturas na solidificação Estrutura cristalina dos metais Cúbica de corpo centrado CCC Cúbica de face centrada CFC Hexagonal compacta HC Fator de empacotamento atômico FEA mede a fração de espaço da rede que é efetivamente ocupada pelos átomos É independente do tamanho do átomo se apenas um tamanho está presente Estrutura cristalina dos metais Volume do átomo Utilizase o modelo atômico da esfera rígida átomos são considerados como esferas sólidas com diâmetros bem definidos Número de coordenação corresponde ao número de vizinhos mais próximos ou seja corresponde ao número de átomos em contato Em cristais com um único tipo de átomo cada átomo possui o mesmo número de vizinhos Estrutura cristalina dos metais com um único tipo de átomo cada átomo possui o mesmo número de vizinhos mais próximos Estrutura cristalina dos metais Estrutura cúbica de corpo centrado CCC Para a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado a uma representação da célula unitária por meio de esferas rígidas b uma célula unitária segundo esferas reduzidas e c um agregado de muitos átomos Estrutura cristalina dos metais Estrutura cúbica de corpo centrado CCC Número de átomos por célula unitária n 2 unitária n Número de coordenação 8 Relação entre o parâmetro de rede a e o raio atômico R Fator de empacotamento atômico FEA 68 Estrutura cristalina dos metais Estrutura cúbica de face centrada CFC Para a estrutura cristalina cúbica de faces centradas a uma representação da célula unitária por meio de esferas rígidas b uma célula unitária por esferas reduzidas e c um agregado de muitos átomos Estrutura cristalina dos metais Estrutura cúbica de face centrada CFC Número de átomos por célula unitária n 4 unitária n Número de coordenação 12 Relação entre o parâmetro de rede a e o raio atômico R Fator de empacotamento atômico FEA 74 Estrutura cristalina dos metais Estrutura hexagonal compacta HC Para a estrutura cristalina hexagonal compacta a uma célula unitária com esferas reduzidas a e c representam os comprimentos das arestas menor e maior respectivamente b um agregado de muitos átomos e c célula unitária isolada Número de átomos por célula unitária n 6 Número de coordenação 12 Estrutura cristalina dos metais Estrutura hexagonal compacta HC Número de coordenação 12 Relação entre o parâmetro de rede a e o raio atômico R a 2R Relação entre os parâmetros c e a ca 163 Fator de empacotamento atômico FEA 74 Raios atômicos e estruturas cristalinas para 16 metais Callister 2021 Cálculo de massa específica O conhecimento da estrutura cristalina de um sólido metálico permite o cálculo da sua massa específica teórica ρ n número de átomos por célula unitária A peso atômico Vc volume da célula unitária NA número de Avogadro 6023x1023 átomosmol Polimorfismo e Alotropia Polimorfismo caracteriza o fenômeno que alguns materiais apresentam de possuir mais do que uma estrutura cristalina dependendo da temperatura e da pressão externa externa Alotropia corresponde à condição de polimorfismo encontrada em sólidos elementares Na maioria das vezes uma transformação polimórfica é acompanhada de mudanças na massa específica e em outras propriedades físicas Polimorfismo e Alotropia Exemplo 1 Carbono Diamante Grafita Polimorfismo e Alotropia Exemplo 2 Estanho Expansão do volume Estanho branco β estrutura tetragonal de corpo centrado TCC Estanho cinza α estrutura cúbica semelhante à do diamante Redução da densidade Polimorfismo e Alotropia Exemplo 3 Ferro Temperatura ambiente CCC ferrita α Magnética Acima de 912ºC CFC austenita Nãomagnética Materiais monocristalinos São materiais sólidos cujo arranjo periódico dos átomos é perfeito ou se estende ao longo da totalidade da amostra Todas as células unitárias se interligam da mesma maneira e possuem a mesma orientação Existem na natureza mas também podem ser produzidos artificialmente porém é difícil crescêlos o ambiente deve ser cuidadosamente controlado Se for permitido que as extremidades de um monocristal cresçam sem nenhuma restrição externa o cristal assumirá uma forma geométrica regular com faces planas como acontece com algumas pedras preciosas Materiais monocristalinos Um monocristal de pirita de ferro que foi encontrado em Navajún La Rioja Espanha Callister 2021 Materiais policristalinos A maioria dos sólidos cristalinos é composta por um conjunto de cristais muito pequenos chamados cristais muito pequenos chamados de grãos Materiais policristalinos Estágio a pequenos cristais ou núcleos se formam em várias posições com orientações cristalográficas aleatórias Estágio b crescimento dos grãos pela adição de átomos oriundos do líquido vizinho Estágio c fim do processo de solidificação As extremidades dos grãos adjacentes interferem umas nas outras com algum desalinhamento dos átomos na região onde dois grãos se encontram contorno de grão d estrutura granular esquemática vista em microscópio Linhas escuras representam os contornos de grão Polycrystalline Metal Direções e planos cristalográficos Frequentemente tornase necessário identificar uma direção linha de átomos ou plano particular no interior de uma célula unitária Por exemplo várias propriedades dos materiais dependem da direção na qual são medidas dos materiais dependem da direção na qual são medidas Por convenção 3 números inteiros índices são usados para determinar a localização dos planos e das direções utilizando como base a célula unitária com um dos vértices posicionados na origem de um sistema de coordenadas tridimensionais Direção cristalográfica Consiste em uma linha entre dois pontos ou um vetor 1 Um vetor com comprimento conveniente é posicionado tal que ele passe através da origem do sistema de coordenadas origem do sistema de coordenadas 2 Os comprimentos das projeções do vetor sobre cada um dos 3 eixos são medidos em termos das dimensões da célula unitária abc 3 Esses três números são multiplicados ou divididos por um fator comum para reduzilos aos menores números inteiros 4 Os 3 índices não são separados por vírgulas são colocados entre colchetes uvw Direção cristalográfica Direção Projeções Índice u v w x y z u v w x y z Verde 1 0 0 1 0 0 Azul 1 1 0 1 1 0 Vermelho 1 1 1 1 1 1 Direção cristalográfica Direção Projeções Índice u v w x y z u v w x y z Verde 1 0 0 1 0 0 Azul 1 1 0 1 1 0 Vermelho 1 1 1 1 1 1 Direção cristalográfica x y z Projeção 12 1 0 Redução 1 2 0 u v w 120 Procedimento para determinação dos Índices de Miller em estruturas cúbicas 1 Se o plano passa pela origem outro plano paralelo deve ser construído no interior da célula unitária ou uma nova origem deve ser estabelecida no vértice de outra célula unitária Feito isso Planos cristalográficos o plano interceptará cada um dos três eixos ou será paralelo a algum dos eixos 2 Determinamse as interseções do plano com x y e z 3 Calculase o inverso das interseções obtidas 4 Se necessário esses números são modificados para o conjunto de menores números inteiros 5 Os índices inteiros são colocados entre parênteses hkl Planos cristalográficos x y z Interseções 0 1 ½ Inversos 0 1 2 h k l 0 1 2 Imperfeições nos sólidos DefeitoImperfeição irregularidade na rede cristalina envolvendo a posição dos átomos ou o tipo dos átomos A presença de defeitos nem sempre é negativa e com frequência defeitos são A presença de defeitos nem sempre é negativa e com frequência defeitos são introduzidos propositalmente em quantidades controladas com a finalidade de se obter características específicas O tipo e o número de defeitos dependem da composição do material do O tipo e o número de defeitos dependem da composição do material do meio ambiente e das circunstâncias sob as quais o material é processado meio ambiente e das circunstâncias sob as quais o material é processado Classificação dos defeitos Classificação dos defeitos Pontuais Lineares Planares Volumétricos Lacunas Auto intersticial Schottky e Frenkel Discordâncias Superfície externa Contorno de grão Macla Poros Trincas Inclusões Defeitos pontuais Lacunas Lacuna vacânciavazio sítio vago na rede cristalina que normalmente deveria estar ocupado mas no qual está faltando um átomo Todos os sólidos cristalinos contêm lacunas e não é possível criar um material que esteja livre desse tipo de defeito As lacunas podem ser originadas durante a solidificação como resultado de perturbações locais durante o crescimento dos cristais ou podem ser criadas pelo rearranjo dos átomos de um cristal devido à mobilidade atômica Podem ser ainda resultado da deformação plástica do resfriamento rápido e do bombardeamento da rede cristalina por nêutrons Defeitos pontuais Lacunas O número de lacunas em equilíbrio Nl aumenta exponencialmente com a temperatura N número total de sítios atômicos Q energia necessária para a formação de uma lacuna T temperatura absoluta k constante de Boltzmann 138x1023 JátomoK ou 862x105 eVátomoK ρ massa específica A peso atômico Defeitos pontuais Autointersticial Autointersticial átomo do cristal que se encontra comprimido em um sítio intersticial pequeno espaço vazio não ocupado normalmente Introduz distorções relativamente grandes na rede cristalina pois o átomo é rede cristalina pois o átomo é substancialmente maior do que o interstício Existe em concentrações muito reduzidas quando comparado às lacunas sua formação é pouco provável Defeitos pontuais Sckottky e Frenkel Como o cristal deve se manter eletricamente neutro os defeitos nos sólidos iônicos não ocorrem sozinhos Diagrama esquemático mostrando defeitos de Frenkel e de Schottky em sólidos iônicos Estrutura de defeitos Defeito de Frenkel lacuna catiônica cátion intersticial Defeito de Schottky lacuna catiônica lacuna aniônica Defeitos pontuais Impurezas Obter um metal puro é impossível impurezas de outros elementos sempre estarão presentes algumas irão existir como defeitos pontuais Ligas mistura de dois ou mais metais Os átomos de impurezas são adicionados intencionalmente para conferir características específicas ao material Em geral para aumentar a resistência mecânica e à corrosão Defeitos pontuais Impurezas Defeitos pontuais a lacuna b átomo intersticial c átomo substitucional pequeno d átomo substitucional grande Todos estes defeitos perturbam o perfeito arranjo atômico dos átomos vizinhos Defeitos lineares Discordâncias Discordância é um defeito cristalino linear em torno do qual alguns átomos estão desalinhados e consequentemente provoca uma distorção na estrutura cristalina Todos os materiais cristalinos contém algumas discordâncias que foram originadas Todos os materiais cristalinos contém algumas discordâncias que foram originadas durante a solidificação dos sólidos cristalinos durante a deformação plástica eou como consequência das tensões térmicas que resultam de um resfriamento rápido do material A presença deste defeito é responsável pela deformação plástica dos materiais metálicos e a consequente falha dos mesmos Discordância em aresta cunha pode ser entendida como a distorção em torno da aresta de um semiplano extra de átomos no reticulado o que provoca uma imperfeição Defeitos lineares Discordâncias linear A magnitude desta distorção normalmente tem a ordem de uma distância interatômica a e diminui com o afastamento da linha da discordância Defeitos lineares Discordâncias Discordância em hélice espiral produzida pela distorção torção de um cristal de modo que um plano atômico produza uma rampa ao redor da discordância O cristal perfeito a é cortado e cisalhado em um espaçamento interatômico b e c A linha ao longo da qual ocorre o cisalhamento é uma discordância em hélice Um vetor de Burgers b é requerido para fechar o circuito de igual espaçamento interatômico ao redor da discordância Defeitos lineares Discordâncias Discordância mista A maioria das discordâncias encontradas em materiais cristalinos não é provavelmente nem uma discordância em aresta ou em uma discordância em aresta ou em espiral Na verdade as discordâncias exibem características de ambos os tipos tornandose conhecidas como discordâncias mistas Defeitos planares Superfície externa Defeitos planares Contornos de grão Contorno 25 diâmetros atômicos que separa dois cristais com orientações cristalográficas diferentes em um material policristalino No interior do grão todos os átomos estão arranjados segundo um único modelo e única orientação caracterizada pela célula unitária Defeitos planares Contornos de grão a Seção de um contorno de grão e o sulco superficial produzido por um ataque químico as características de reflexão da luz na vizinhança do sulco também são mostradas b Fotomicrografia da superfície de uma amostra policristalina de uma liga ferrocromo polida e atacada quimicamente em que os contornos dos grãos aparecem escuros Ampliação de 100 Defeitos planares Macla É um tipo especial de contorno de grão através do qual existe uma simetria espelhada da rede cristalina As estruturas são idênticas mas parecem deslocadas como se olhadas em um espelho A região de material entre estes contornos é chamada de macla Defeitos planares Macla Aplicação de tensão em um cristal perfeito a pode causar um deslocamento dos átomos b resultando na formação de uma macla Defeitos volumétricos ou de massa Normalmente são introduzidos durante as etapas de processamento e de fabricação São muito maiores do que os anteriores Exemplos Inclusões formamse devido à presença de impurezas estranhas Inclusões formamse devido à presença de impurezas estranhas Porosidade originase devido à presença ou formação de gases Precipitados formamse pela aglomeração de partículas cuja composição difere da matriz Trincas alteram as propriedades mecânicas Referências Callister Jr WD Ciência e Engenharia de Materiais Uma Introdução 10a ed Rio de Janeiro LTC 2021 705 p Askeland D R Fulay P PWright W J The Science and Engineering of Materials Stamford Cengage Learning 2011 949 9p Shackelford J F Ciência dos Materiais 6ª ed São Paulo Pearson 2008 Van Vlack Lawrence H Princípios de ciência dos materiais Tradução de Luiz Paulo Camargo Ferrão São Paulo Edgard Blücher 2004 427p Universidade Candido Mendes EAD
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Introdução à Ciência e Tecnologia dos Materiais Tecnologia dos Materiais Unidade II Estrutura dos sólidos cristalinos e imperfeições imperfeições Por que estudar As propriedades de alguns materiais estão diretamente relacionadas às suas estruturas cristalinas Exemplo Mg e Be são muito mais frágeis do que Au e Ag Propriedades de materiais cristalinos e não cristalinos são extremamente diferentes Exemplo cerâmicas e polímeros nãocristalinos são opticamente transparentes Na forma cristalina tendem a ser opacos Por que estudar As propriedades de alguns materiais são profundamente influenciadas pela presença de imperfeições Tornase importante conhecer os tipos de imperfeições que existem e os papéis que desempenham ao afetar o comportamento dos materiais e os papéis que desempenham ao afetar o comportamento dos materiais Exemplo 1 As propriedades mecânicas dos metais puros apresentam alterações significativas quando eles estão ligados O latão 70Cu30Zn é muito mais duro e resistente do que o cobre puro Por que estudar Exemplo 2 Os dispositivos microeletrônicos dos circuitos integrados encontrados nos nossos computadores calculadoras e utensílios domésticos funcionam devido à presença de concentrações rigorosamente controladas de impurezas específicas que são incorporadas em regiões pequenas e localizadas de materiais semicondutores a fim de alterar a condutividade elétrica nestas regiões Exemplo 3 A deformação permanente dos materiais metálicos promove a formação de imperfeições que geram um aumento na resistência mecânica processo conhecido como encruamento Conceito de material cristalino Material cristalino é aquele em que os átomos estão posicionados em um arranjo periódico ou repetitivo ao longo de grandes distâncias atômicas 100 nm Todos os metais e alguns materiais cerâmicos são materiais cristalinos Material amorfo não cristalino caracterizado por estruturas atômicas ou moleculares relativamente complexas e que se tornam ordenadas somente com alguma dificuldade A maioria dos polímeros é amorfa pois as ligações entre as moléculas não permitem a formação de cadeias ordenadas durante a solidificação Ordem x Alcance Estrutura não ordenada os átomos ou moléculas estão randomicamente distribuídos Exemplo gases nobres Ordem de curto alcance os átomos ou moléculas só estão ordenados com os vizinhos moléculas só estão ordenados com os vizinhos mais próximos Exemplo materiais amorfos Ordem de longo alcance átomos ou moléculas estão organizados em um arranjo repetitivo ou estrutura Exemplo materiais cristalinos Esquemas bidimensionais para a estrutura do a dióxido de silício cristalino e b dióxido de silício não cristalino Estrutura cristalina Estrutura cristalina maneira segundo a qual os átomos moléculas ou íons estão arranjados Célula unitária Consiste no menor arranjo de átomos possível que através de sua repetição representa a estrutura cristalina de um material Define de acordo com sua geometria e a posição dos átomos em seu interior a estrutura cristalina Representação da célula unitária por meio de esferas rígidas Sistemas cristalinos Apresentam as estruturas cristalinas divididas em grupos de acordo com a geometria de suas células unitárias Sistemas cristalinos Nesse arranjo é estabelecido um sistema de coordenadas x y e z que tem a sua origem localizada em um dos vértices da y e z que tem a sua origem localizada em um dos vértices da célula unitária Cada um dos eixos coincide com uma das três arestas da célula que se origina a partir desse vértice Parâmetros de rede definem a geometria da célula unitária a b c α β e γ Sistemas cristalinos Sistemas cristalinos Sistemas cristalinos Dos 7 sistemas cristalinos podemos identificar 14 tipos diferentes de células unitárias conhecidas com redes de Bravais Ortorrômbica simples Ortorrômbica de corpo centrado Ortorrômbica de extremidades centradas Ortorrômbica de faces centradas Monoclínica simples Monoclínica de extremidades centradas Romboédrica Triclínica Hexagonal 90 dos metais se cristalizam em uma dessas 3 estruturas na solidificação Estrutura cristalina dos metais Cúbica de corpo centrado CCC Cúbica de face centrada CFC Hexagonal compacta HC Fator de empacotamento atômico FEA mede a fração de espaço da rede que é efetivamente ocupada pelos átomos É independente do tamanho do átomo se apenas um tamanho está presente Estrutura cristalina dos metais Volume do átomo Utilizase o modelo atômico da esfera rígida átomos são considerados como esferas sólidas com diâmetros bem definidos Número de coordenação corresponde ao número de vizinhos mais próximos ou seja corresponde ao número de átomos em contato Em cristais com um único tipo de átomo cada átomo possui o mesmo número de vizinhos Estrutura cristalina dos metais com um único tipo de átomo cada átomo possui o mesmo número de vizinhos mais próximos Estrutura cristalina dos metais Estrutura cúbica de corpo centrado CCC Para a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado a uma representação da célula unitária por meio de esferas rígidas b uma célula unitária segundo esferas reduzidas e c um agregado de muitos átomos Estrutura cristalina dos metais Estrutura cúbica de corpo centrado CCC Número de átomos por célula unitária n 2 unitária n Número de coordenação 8 Relação entre o parâmetro de rede a e o raio atômico R Fator de empacotamento atômico FEA 68 Estrutura cristalina dos metais Estrutura cúbica de face centrada CFC Para a estrutura cristalina cúbica de faces centradas a uma representação da célula unitária por meio de esferas rígidas b uma célula unitária por esferas reduzidas e c um agregado de muitos átomos Estrutura cristalina dos metais Estrutura cúbica de face centrada CFC Número de átomos por célula unitária n 4 unitária n Número de coordenação 12 Relação entre o parâmetro de rede a e o raio atômico R Fator de empacotamento atômico FEA 74 Estrutura cristalina dos metais Estrutura hexagonal compacta HC Para a estrutura cristalina hexagonal compacta a uma célula unitária com esferas reduzidas a e c representam os comprimentos das arestas menor e maior respectivamente b um agregado de muitos átomos e c célula unitária isolada Número de átomos por célula unitária n 6 Número de coordenação 12 Estrutura cristalina dos metais Estrutura hexagonal compacta HC Número de coordenação 12 Relação entre o parâmetro de rede a e o raio atômico R a 2R Relação entre os parâmetros c e a ca 163 Fator de empacotamento atômico FEA 74 Raios atômicos e estruturas cristalinas para 16 metais Callister 2021 Cálculo de massa específica O conhecimento da estrutura cristalina de um sólido metálico permite o cálculo da sua massa específica teórica ρ n número de átomos por célula unitária A peso atômico Vc volume da célula unitária NA número de Avogadro 6023x1023 átomosmol Polimorfismo e Alotropia Polimorfismo caracteriza o fenômeno que alguns materiais apresentam de possuir mais do que uma estrutura cristalina dependendo da temperatura e da pressão externa externa Alotropia corresponde à condição de polimorfismo encontrada em sólidos elementares Na maioria das vezes uma transformação polimórfica é acompanhada de mudanças na massa específica e em outras propriedades físicas Polimorfismo e Alotropia Exemplo 1 Carbono Diamante Grafita Polimorfismo e Alotropia Exemplo 2 Estanho Expansão do volume Estanho branco β estrutura tetragonal de corpo centrado TCC Estanho cinza α estrutura cúbica semelhante à do diamante Redução da densidade Polimorfismo e Alotropia Exemplo 3 Ferro Temperatura ambiente CCC ferrita α Magnética Acima de 912ºC CFC austenita Nãomagnética Materiais monocristalinos São materiais sólidos cujo arranjo periódico dos átomos é perfeito ou se estende ao longo da totalidade da amostra Todas as células unitárias se interligam da mesma maneira e possuem a mesma orientação Existem na natureza mas também podem ser produzidos artificialmente porém é difícil crescêlos o ambiente deve ser cuidadosamente controlado Se for permitido que as extremidades de um monocristal cresçam sem nenhuma restrição externa o cristal assumirá uma forma geométrica regular com faces planas como acontece com algumas pedras preciosas Materiais monocristalinos Um monocristal de pirita de ferro que foi encontrado em Navajún La Rioja Espanha Callister 2021 Materiais policristalinos A maioria dos sólidos cristalinos é composta por um conjunto de cristais muito pequenos chamados cristais muito pequenos chamados de grãos Materiais policristalinos Estágio a pequenos cristais ou núcleos se formam em várias posições com orientações cristalográficas aleatórias Estágio b crescimento dos grãos pela adição de átomos oriundos do líquido vizinho Estágio c fim do processo de solidificação As extremidades dos grãos adjacentes interferem umas nas outras com algum desalinhamento dos átomos na região onde dois grãos se encontram contorno de grão d estrutura granular esquemática vista em microscópio Linhas escuras representam os contornos de grão Polycrystalline Metal Direções e planos cristalográficos Frequentemente tornase necessário identificar uma direção linha de átomos ou plano particular no interior de uma célula unitária Por exemplo várias propriedades dos materiais dependem da direção na qual são medidas dos materiais dependem da direção na qual são medidas Por convenção 3 números inteiros índices são usados para determinar a localização dos planos e das direções utilizando como base a célula unitária com um dos vértices posicionados na origem de um sistema de coordenadas tridimensionais Direção cristalográfica Consiste em uma linha entre dois pontos ou um vetor 1 Um vetor com comprimento conveniente é posicionado tal que ele passe através da origem do sistema de coordenadas origem do sistema de coordenadas 2 Os comprimentos das projeções do vetor sobre cada um dos 3 eixos são medidos em termos das dimensões da célula unitária abc 3 Esses três números são multiplicados ou divididos por um fator comum para reduzilos aos menores números inteiros 4 Os 3 índices não são separados por vírgulas são colocados entre colchetes uvw Direção cristalográfica Direção Projeções Índice u v w x y z u v w x y z Verde 1 0 0 1 0 0 Azul 1 1 0 1 1 0 Vermelho 1 1 1 1 1 1 Direção cristalográfica Direção Projeções Índice u v w x y z u v w x y z Verde 1 0 0 1 0 0 Azul 1 1 0 1 1 0 Vermelho 1 1 1 1 1 1 Direção cristalográfica x y z Projeção 12 1 0 Redução 1 2 0 u v w 120 Procedimento para determinação dos Índices de Miller em estruturas cúbicas 1 Se o plano passa pela origem outro plano paralelo deve ser construído no interior da célula unitária ou uma nova origem deve ser estabelecida no vértice de outra célula unitária Feito isso Planos cristalográficos o plano interceptará cada um dos três eixos ou será paralelo a algum dos eixos 2 Determinamse as interseções do plano com x y e z 3 Calculase o inverso das interseções obtidas 4 Se necessário esses números são modificados para o conjunto de menores números inteiros 5 Os índices inteiros são colocados entre parênteses hkl Planos cristalográficos x y z Interseções 0 1 ½ Inversos 0 1 2 h k l 0 1 2 Imperfeições nos sólidos DefeitoImperfeição irregularidade na rede cristalina envolvendo a posição dos átomos ou o tipo dos átomos A presença de defeitos nem sempre é negativa e com frequência defeitos são A presença de defeitos nem sempre é negativa e com frequência defeitos são introduzidos propositalmente em quantidades controladas com a finalidade de se obter características específicas O tipo e o número de defeitos dependem da composição do material do O tipo e o número de defeitos dependem da composição do material do meio ambiente e das circunstâncias sob as quais o material é processado meio ambiente e das circunstâncias sob as quais o material é processado Classificação dos defeitos Classificação dos defeitos Pontuais Lineares Planares Volumétricos Lacunas Auto intersticial Schottky e Frenkel Discordâncias Superfície externa Contorno de grão Macla Poros Trincas Inclusões Defeitos pontuais Lacunas Lacuna vacânciavazio sítio vago na rede cristalina que normalmente deveria estar ocupado mas no qual está faltando um átomo Todos os sólidos cristalinos contêm lacunas e não é possível criar um material que esteja livre desse tipo de defeito As lacunas podem ser originadas durante a solidificação como resultado de perturbações locais durante o crescimento dos cristais ou podem ser criadas pelo rearranjo dos átomos de um cristal devido à mobilidade atômica Podem ser ainda resultado da deformação plástica do resfriamento rápido e do bombardeamento da rede cristalina por nêutrons Defeitos pontuais Lacunas O número de lacunas em equilíbrio Nl aumenta exponencialmente com a temperatura N número total de sítios atômicos Q energia necessária para a formação de uma lacuna T temperatura absoluta k constante de Boltzmann 138x1023 JátomoK ou 862x105 eVátomoK ρ massa específica A peso atômico Defeitos pontuais Autointersticial Autointersticial átomo do cristal que se encontra comprimido em um sítio intersticial pequeno espaço vazio não ocupado normalmente Introduz distorções relativamente grandes na rede cristalina pois o átomo é rede cristalina pois o átomo é substancialmente maior do que o interstício Existe em concentrações muito reduzidas quando comparado às lacunas sua formação é pouco provável Defeitos pontuais Sckottky e Frenkel Como o cristal deve se manter eletricamente neutro os defeitos nos sólidos iônicos não ocorrem sozinhos Diagrama esquemático mostrando defeitos de Frenkel e de Schottky em sólidos iônicos Estrutura de defeitos Defeito de Frenkel lacuna catiônica cátion intersticial Defeito de Schottky lacuna catiônica lacuna aniônica Defeitos pontuais Impurezas Obter um metal puro é impossível impurezas de outros elementos sempre estarão presentes algumas irão existir como defeitos pontuais Ligas mistura de dois ou mais metais Os átomos de impurezas são adicionados intencionalmente para conferir características específicas ao material Em geral para aumentar a resistência mecânica e à corrosão Defeitos pontuais Impurezas Defeitos pontuais a lacuna b átomo intersticial c átomo substitucional pequeno d átomo substitucional grande Todos estes defeitos perturbam o perfeito arranjo atômico dos átomos vizinhos Defeitos lineares Discordâncias Discordância é um defeito cristalino linear em torno do qual alguns átomos estão desalinhados e consequentemente provoca uma distorção na estrutura cristalina Todos os materiais cristalinos contém algumas discordâncias que foram originadas Todos os materiais cristalinos contém algumas discordâncias que foram originadas durante a solidificação dos sólidos cristalinos durante a deformação plástica eou como consequência das tensões térmicas que resultam de um resfriamento rápido do material A presença deste defeito é responsável pela deformação plástica dos materiais metálicos e a consequente falha dos mesmos Discordância em aresta cunha pode ser entendida como a distorção em torno da aresta de um semiplano extra de átomos no reticulado o que provoca uma imperfeição Defeitos lineares Discordâncias linear A magnitude desta distorção normalmente tem a ordem de uma distância interatômica a e diminui com o afastamento da linha da discordância Defeitos lineares Discordâncias Discordância em hélice espiral produzida pela distorção torção de um cristal de modo que um plano atômico produza uma rampa ao redor da discordância O cristal perfeito a é cortado e cisalhado em um espaçamento interatômico b e c A linha ao longo da qual ocorre o cisalhamento é uma discordância em hélice Um vetor de Burgers b é requerido para fechar o circuito de igual espaçamento interatômico ao redor da discordância Defeitos lineares Discordâncias Discordância mista A maioria das discordâncias encontradas em materiais cristalinos não é provavelmente nem uma discordância em aresta ou em uma discordância em aresta ou em espiral Na verdade as discordâncias exibem características de ambos os tipos tornandose conhecidas como discordâncias mistas Defeitos planares Superfície externa Defeitos planares Contornos de grão Contorno 25 diâmetros atômicos que separa dois cristais com orientações cristalográficas diferentes em um material policristalino No interior do grão todos os átomos estão arranjados segundo um único modelo e única orientação caracterizada pela célula unitária Defeitos planares Contornos de grão a Seção de um contorno de grão e o sulco superficial produzido por um ataque químico as características de reflexão da luz na vizinhança do sulco também são mostradas b Fotomicrografia da superfície de uma amostra policristalina de uma liga ferrocromo polida e atacada quimicamente em que os contornos dos grãos aparecem escuros Ampliação de 100 Defeitos planares Macla É um tipo especial de contorno de grão através do qual existe uma simetria espelhada da rede cristalina As estruturas são idênticas mas parecem deslocadas como se olhadas em um espelho A região de material entre estes contornos é chamada de macla Defeitos planares Macla Aplicação de tensão em um cristal perfeito a pode causar um deslocamento dos átomos b resultando na formação de uma macla Defeitos volumétricos ou de massa Normalmente são introduzidos durante as etapas de processamento e de fabricação São muito maiores do que os anteriores Exemplos Inclusões formamse devido à presença de impurezas estranhas Inclusões formamse devido à presença de impurezas estranhas Porosidade originase devido à presença ou formação de gases Precipitados formamse pela aglomeração de partículas cuja composição difere da matriz Trincas alteram as propriedades mecânicas Referências Callister Jr WD Ciência e Engenharia de Materiais Uma Introdução 10a ed Rio de Janeiro LTC 2021 705 p Askeland D R Fulay P PWright W J The Science and Engineering of Materials Stamford Cengage Learning 2011 949 9p Shackelford J F Ciência dos Materiais 6ª ed São Paulo Pearson 2008 Van Vlack Lawrence H Princípios de ciência dos materiais Tradução de Luiz Paulo Camargo Ferrão São Paulo Edgard Blücher 2004 427p Universidade Candido Mendes EAD